相干原子介质中弱光孤子的磁光控制研究

发布时间：2019-08-01 20:32

【摘要】：自激光问世以来,人们对光与物质相互作用时产生的各种非线性光学效应进行了广泛而深入的探索。非线性光学的研究不仅具有重要的应用价值,而且成为非线性物理学领域的一个重要分支。传统的非线性光学是研究介质在强激光场作用下产生的非线性现象及其应用。近年来,由于电磁感应透明(electromagnetically induced transparency,简称EIT)效应的发现,弱光非线性光学新领域随之应运而生。基于EIT的弱光非线性光学研究不仅对于开拓非线性光学研究的新方向有重要意义,而且在原子分子光子的精密操控、精密光谱与精密测量、光与量子信息的处理与传输、光孤子通信技术等方面具有重要的应用前景。EIT现象是在光与三能级原子共振相互作用的研究中首先发现的。其基本原理是通过引入外加控制激光场使原子的两个跃迁通道之间产生量子相消干涉效应,从而探测激光场的吸收谱在其中心频率附近产生一个透明窗口,由此可极大地抑制共振介质对探测激光场的吸收。EIT效应不仅可用来抑制光的吸收,而且可有效地改变介质的色散性质,从而实现光脉冲的超慢传播；利用EIT还可显著地增大体系的非线性光学效应,从而可用来实现弱光甚至单光子条件下的强非线性光学效应,等等。众所周知,在真空中光场与光场之间不存在相互作用,因而不可能在真空中实现光操控光。但光通过介质时会使介质产生极化,改变介质的折射率,从而对另一束光产生有效的相互作用。因此,光操控光(包括用一束光囚禁、光偏转、用一束光导引与控制另一束光等)可借助光学介质(包括主动和被动光学介质)作为中介来实现。但是,目前大多数光操控光的实现有若干不足之处。例如,在操控过程中需要很强的激光场；存在不可忽略的色散和衍射效应,使得光操控的效果不佳；不能实现光场的主动操控；等等。本学位论文的主要内容是共振相干原子介质中弱光孤子的磁光操控研究。一研究的主要思路是,在多能级原子体系中利用EIT产生的巨克尔非线性效应与衍射(色散)效应相互平衡形成弱光孤子；为了稳定和操控所得的光孤子,引入若干外加的磁场或光场作为磁光外势,由此实现高维弱光孤子的斯特恩-盖拉赫(Stern-Gerlach)偏转、信号光场的光孤子俘获与光场的轨迹操控、(3+1)-维光孤子和涡旋的存储与读取等效应。本文的主要研究结果包括以下三个方面：1.研究了多能级原子系统中高维弱光孤子的Stern-Gerlach偏转效应。首先利用非线性波理论中的多重尺度微扰法,基于麦克斯韦-布洛赫(Maxwell-Bloch)方程导出了四脚架(quadric-pod)型原子体系中三个探测光场所满足的(3+1)-维耦合非线性Schrodinger方程组。为了得到稳定的弱光孤子,在体系中引入了远失谐的斯塔克(Stark)光晶格场。研究发现,通过选择合适的系统参数可以实现三个探测光脉冲的群速度相互匹配,并得到稳定的高维弱光孤子。其次,通过在体系中施加梯度磁场,实现了所得高维光孤子的Stern-Gerlach偏转；并计算了光孤子的轨迹偏转角度与外加磁场梯度大小的关系。结果表明,光孤子的轨迹偏转角度可达10-2弧度。最后,将高维弱光孤子的Stern-Gerlach偏转理论推广到更普遍的情况,即考虑了N-pod (N 4)体系中N-1个高维弱光孤子的Stern-Gerlach偏转。本研究所得结果有望用于磁场的精密测量(设计光学磁力计等),从而在精密光谱与精密测量技术等方面具有潜在的应用价值。2.研究了三角架(tri-pod)型原子系统中弱信号光场的光孤子俘获及其轨迹操控。首先考虑在原子系统中输入适当强度的探测光场和较弱的信号光场。基于Maxwell-Bloch方程,用多重尺度法导出探测光场和信号光场包络演化所遵循的非线性方程包络方程组。其次,详细研究了这些包络方程组的各种非线性局域解。研究发现,探测光场可产生足够强的非线性效应与衍射效应相互平衡,从而形成稳定传播的光孤子；信号光场依赖探测光场产生的交叉克尔非线性效应可形成空间局域的波包。通过选择合适的系统参数,可实现探测光场和信号光场的群速度匹配,增加两个光场之间的相互作用时间,从而增强体系的交叉克尔非线性效应。由此可实现弱信号光场的光孤子俘获,并使信号光场跟随探测光孤子一起以相同的传播速度稳定地传播。最后,为了进一步研究探测光场和信号光场的轨迹操控,在体系中引入了含时和不含时的梯度磁场。结果表明,引入梯度磁场后信号光场仍可被探测光孤子俘获。两个光场(即信号光场与探测光场)仍可束缚在一起以相同的运动轨迹在介质中稳定地传播。本研究成果在实现光学隐身和设计弱光水平的全光开关等方面具有一定的理论指导意义和潜在的应用价值。3.研究了A型三能级原子系统中(3+1)-维光孤子和涡旋的形成及其存储与读取。首先,从体系的Maxwell-Bloch方程出发,通过多重尺度法导出了探测光场在三能级原子中传播时所遵循的(3+1)-维非线性包络方程。其次,通过引入远失谐的Stark光场抑制探测光场的横向衍射,证明在体系中可形成稳定的(3+1)-维光孤子和涡旋。最后,通过适当地关闭与开启控制光场,证明在体系中可实现超慢(3+1)-维光孤子和涡旋的存储与读取。光孤子和涡旋的存储与读取的基本过程可描述如下。起先,在控制光场存在时形成光孤子和涡旋；其次,绝热地关闭控制光场,使探测光场的传播速度减小至零且其所负载的光信息转换为原子信息,实现光信息的存储；然后,绝热地开启控制光场,使探测光场加速并从原子介质中释放出来,从而使存储于介质中的原子信息重新转换为光信息,实现光信息的读取。本研究成果不仅可为光的操控提供新的理论思路,而且也可为实现光信息处理与传输等提供新颖有效的技术手段。本论文所得到的研究结果,不仅对于揭示光与多能级量子体系的共振非线性光学效应,发展弱光非线性光学理论和高维光孤子理论有较重要的理论价值,而且对于精密光谱与精密测量、光与量子信息的处理与传输、弱光水平下的光操控光器件(如全光开关)的设计等方面都具有一定的理论指导意义和潜在的应用价值。
【图文】：

线和实线分别对应系统没有输入控制光场（化＝０）和输入控制光场（化户０）的逡逑情况。该图引自文献［口］。逡逑图１．１中右半部分为介质对光响应的线性极化率与探测光场频率Ｗｐ和原子逡逑共振频率Ｗ３１（＝Ｗ３－Ｗ１）偏移量（即失谐量Ａｓ）的函数关系曲线图。通过该图逡逑片可Ｗ更加形象直观地显示介质中的巧Ｔ现象。其中，Ｉｍ（ｘ）和Ｒｅ（ｘ）分别表逡逑示介质对探测光场的吸收和介质体系的折射率与色散。由图我们可１＾清楚地看逡逑到，当系统没有输入强的控制光场（即化＝０）时，在共振频率点附近介质对逡逑探测光场的吸收为极大值，即介质对探测光场来说是不透明的，且此时的色散逡逑为反常色散（如图中的虚线所示）；当系统输入强的控制光场（即化＾邋０）时，逡逑在共振频率点附近介质对探测光场的吸收为极小值，并且开出了一个ＥＩＴ透明逡逑窗口，即介质对探测光场的吸收被显著地抑制，介质对探测光场来说是几乎透逡逑

杂志上发表了一篇关于慢光R%ｅｒｎ－Ｇｅｒｌａｃｈ效应的实验性文章［１４（中这篇文章逡逑证实了当在ＥＩＴ介质中引入梯度磁场时，光在传播过程中会发生轨迹偏转现逡逑象，如图１．２所示。我们知道，当磁偶极矩不为零的粒子穿过梯度磁场时粒子逡逑将会发生Ｓｔｅｍ－Ｇｅｒｌａｄｉ偏转现象。然而，光子在真空中的磁偶极矩为零，当逡逑
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O437
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本文编号：2521972